JPH10332958A - 光導波路及び光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低複屈折性，耐熱性を兼ね備えたプラスティッ
ク光導波路及び光学素子を提供すること。 【解決手段】テトラカルボン酸二無水物系成分とヒドラ
ジド系成分から得られるポリイミド系樹脂を構成材料と
するプラスティック光導波路。 【効果】低複屈折性，耐熱性に優れたプラスティック光
導波路及び光学素子を提供可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信等に用いら
れる光導波路あるいは、多種の用途に対する光学素子に
係わるものである。

【０００２】

【従来の技術】ＦＴＴＨ(Fiber To The Home）構想の実
現に向け、光通信網の家庭など一般加入者への普及を目
指した技術開発が急速に展開してる。加入者向けの光端
末装置では高性能，高信頼にもまして、低コスト化が装
置開発の最も重要な課題となってきている。これに平行
して計算機への光通信技術の応用も検討が進められてお
り、そこでは低コスト化に加えて、高集積化・電子素子
とのハイブリッド化が求められてきている。

【０００３】このようなニーズに応える技術として、プ
ラスティック（高分子）材料からなる光ファイバ・光導
波路の開発が精力的に行われている。これらの材料に要
求される特性としては、（１）低損失性，（２）低複屈
折性，（３）耐熱性があげられる。

【０００４】最も早く開発されたのはポリメタアクリル
酸樹脂で、優れた光学特性を有するものの、耐熱性・耐
湿性の面で不十分であった。続いて耐環境性を改善した
ものとして、ポリスチレン，ポリカーボネート等が開発
されたが、例えばガラス転移温度は１５０℃程度で耐熱
性が低く、樹脂がもつ固有の複屈折率はアクリル樹脂の
約２０倍程度と大きくなっている。

【０００５】最近ではさらに耐熱性を向上させたフッ素
化ポリイミドが提案されている（特開平3−72528号公
報）。このフッ素化ポリイミドは赤外域での低損失性を
満足する光学用プラスティックである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ポリイ
ミドは剛直な分子構造に起因した配向性，分極異方性に
よる大きな固有複屈折を有している。このため導波路を
形成した場合には、0.01〜０.３ の屈折率差が発現する
ことが大きな問題であった。このような複屈折を持つ光
導波路や光ファイバが光伝送路に導入された場合、いわ
ゆるモード分散により素子の全長が大幅に制限されてし
まう。すなわち１０Ｇbps の伝送路の場合を例にとる
と、表１に示すように許容できる素子長は３００mm以下
となってしまい、充分な規模のシステムを構成すること
が不可能となる。

【０００７】

【表１】

【０００８】本発明の目的は、低複屈折性・耐熱性を兼
ね備えたプラスティック光導波路及び光学素子を提供す
ることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によるプラスティ
ック導波路は上記課題の達成のため、テトラカルボン酸
二無水物系成分とヒドラジド系成分から得られるポリイ
ミド系樹脂を構成材料とするプラスティック光導波路で
あることを特徴とするものである。

【００１０】本発明に係る酸二無水物系成分としては特
に制限はない。芳香族酸二無水物を用いた場合には特に
耐熱性に非常に優れた光導波路を得ることができる。ま
た、脂環式酸二無水物を用いた場合には耐熱性を損なう
ことなく伝送損失を小さくすることができる。直鎖状の
骨格を有する脂肪族酸二無水物を用いると柔軟性に優れ
しかも伝送損失が小さい光導波路を得ることができる。
脂環式酸無水物の中でも、高い耐熱性と低い損失が必要
となる場合には、酸二無水物系成分にシクロブタン環構
造を有するものを用いると良い。また、水分の存在する
環境で使用する場合にはシクロヘキサン環やジシクロヘ
キサン環を有するテトラカルボン酸二無水物を用いると
より優れた特性がえられる。シクロヘキサン環は高い耐
熱性と低い損失をもたらし、ジシクロヘキサン環は複屈
折を極限まで低下させる。有橋系炭化水素構造を有する
脂環式テトラカルボン酸二無水物を用いると、他の場合
に比べ屈折率の低い導波路を形成することが可能であ
る。有橋系炭化水素骨格を有する脂環式酸二無水物とし
ては、ビシク［２，２，１］ヘプタン−２−exo −３−
exo−５−exo−６−exo−テトラカルボン酸二無水物、
トリシクロ［４，２,２，０２，５］デカ−９−エン−
３，４，７，８−テトラカルボン酸二無水物などが例示
できる。これらのテトラカルボン酸二無水物はそれぞれ
の用途によって適宜使い分けられるものである。これら
のテトラカルボン酸二無水物は単独もしくは混合して用
いることができる。

【００１１】本発明者等は、上記課題を解決するために
ポリイミド系樹脂に注目し鋭意その組成について検討し
該発明を得た。すなわち、様々な構造を有するポリイミ
ド系樹脂を材料とする導波路を形成し、複屈折及び熱安
定性を評価し発明を完成させるに至った。すなわちテト
ラカルボン酸二無水物系成分とジヒドラジド系成分から
得られるポリイミド系樹脂を用いた光導波路の複屈折率
が従来のテトラカルボン酸二無水物系成分とアミン系成
分とから得られるポリイミド系樹脂を用いた光導波路に
較べて大幅に低減されることを見いだした。

【００１２】本発明に用いられるヒドラジド系成分とし
ては、上述の芳香族ジヒドラジド，脂肪族ジヒドラジ
ド，脂環式ジヒドラジドであるほか特に制限はない。芳
香族ジヒドラジドを用いると耐熱性が極めて高い光導波
路を得ることができる。一方、脂肪族ジヒドラジドまた
は脂環式ジヒラジドを用いると複屈折の極めて小さい耐
熱性の光導波路を得ることができる。また脂肪族ジヒド
ラジドを用いた場合には柔軟性に優れた光導波路が得ら
れ、脂環式ヒドラジドを用いた場合には耐熱性に特に優
れた光導波路が得られる。これらのヒドラジド成分はそ
れぞれの用途によって適宜使い分けられるものであり、
必要に応じてテトラカルボン酸二無水物とジアミン成分
からなるポリイミドとの共重合体を構成しても良い。た
だしその混合比はヒドラジドイミドに対して５０％以下
が望ましい。前記ジヒラジド化合物の具体例としては、
イソフタル酸ジヒドラジド，テレフタル酸ジヒドラジ
ド、４，４′−ジヒラジドジフェニルエーテル、４，
４′−ジヒラジドジフェニルスルホン、４，４′−ジヒ
ラジドジフェニル、４，４′−ジヒラジドジフェニルメ
タン、４，４′−ジヒラジドジフェニルベンゾエート、
４，４′−ジヒラジドシフェニルスルフィド、３，３′
−ジヒラジドフェニルスルホン、４，４′−ビス（ｐ−
ヒドラジドフェノキシ）ジフェニルスルホン、４，４′
−ビス（ｍ−ヒドラジドフェノキシ）ジフェニルスルホ
ン、４，４′−ビス（ｐ−ヒドラジドフェノキシ）ジフ
ェニルエーテル、２，２−［４，４′−ビス（ｐ−ヒド
ラジドフェノキシ）ジフェニル］プロパン、２，２−
［４，４′−ビス（ｐ−ヒドラジドフェノキシ）ジフェ
ニル］ヘキサフルオロプロパン，シュウ酸ジヒドラジ
ド，マロン酸ジヒドラジド，コハク酸ジヒドラジド，グ
ルタル酸ジヒドラジド，アジピン酸ジヒドラジド，ピメ
リン酸ジヒドラジド，スベリン酸ジヒドラジド，アゼラ
イン酸ジヒドラジド，セバシン酸ジヒドラジド、１，４
−シクロヘキサンジヒドラジド，ナフトエ酸ジヒドラジ
ド、２，６−ピリジンジヒドラジドなどを例示すること
ができ、単独もしくは併せて用いられる。本発明に用い
るジヒラジドに共重合可能なアミン系化合物は例えば、
１，８−ジアミノオクタン、１，１０−ジアミノデカ
ン、１，１２−ジアミドデカン、２，４−ジアミノ−３
−メチル−ステアリルフェニルエーテル、２，４−ジア
ミノ−ラウリルフェニルエーテル、２，４−ジアミノ−
パルミチルフェニルエーテル、２，４−ジアミノ−１−
オキシルオキシベンゼン、２，２−ビス［４−（ｐ−ア
ミノフェノキシ）フェニル］オクタン、２，２−ビス
［４−（ｐ−アミノフェノキシ）フェニル］トリデカ
ン、２，２−ビス［４−（ｐ−アミノフェノキシ）フェ
ニル］ペンタデカン、ビス［４−（ｐ−アミノベンゾイ
ルオキシ）安息香酸］オクタン、ビス［４−（ｐ−アミ
ノベンゾイルオキシ）安息香酸］デカン、ビス（ｐ−ア
ミノベンゾイルオキシ）ノナン、ビス［４−（ｐ−アミ
ノベンゾイルオキシ）デカン、ビス［４−（ｐ−アミノ
ベンゾイルオキシ）ドデカン、ビス［４−(ｐ−アミノ
ベンゾイルオキシ)オクタデカン、４−フルオロ−メタ
フェニレンジアミン、２，２−ビス［４−（４−アミノ
フェノキシ）フェニル）ヘキサフルオロプロパン、２，
２−ビス［４−（３−アミノフェノキシ）フェニル）ヘ
キサフルオロプロパン、２，２−ビス［４−（２−アミ
ノフェノキシ−３，５−ジメチルフェニル］ヘキサフル
オロプロパン、ｐ−ビス（４−アミノ−２−トリフルオ
ロメチルフェノキシ）ベンゼン、４，４′−ビス（４−
アミノ−２−トリフルオロメチルフェノキシ）ビフェニ
ル、４，４′−ビス（４−アミノ−２−トリフルオロメ
チルフェノキシ）ジフェニルスルホン、ｐ−フェニレン
ジアミン、ｍ−フェニレンジアミン、４，４′−ジアミ
ノジフェニルエーテル、４，４′−ジアミノジフェニル
メタン、３，３′−ジアミノジフェニルメタン、４，
４′−ジアミノジフェニルスルフィド、３，４′−ジア
ミノジフェニルスルフィド、３，３′−ジアミノジフェ
ニルスルフィド、４，４′−ジアミノジフェニルプロパ
ン、４，４′−ジアミノジフェニルスルホン、３，３′
−ジアミノジフェニルスルホン、１，５−ジアミノナフ
タレン、４，４′−ジアミノターフェニル、１，１−メ
タキシリレンジアミン、１，４−ジアミノシクロヘキサ
ン、３，３′−ジメチル−４，４′−ジアミノジフェニ
ルメタン、３，３′−ジブトキシ−４，４′−ジアミノ
ジフェニルメタン、２，４−ジアミノ−１−メトキシメ
チレンベンゼン、３，３′−ジメチル−４，４′−ジア
ミノジフェニルエーテル、３，３′−ジメチル−４，
４′−ジアミノジフェニルメタン、２，２−ビス［４−
（ｐ−アミノフェノキシ）フェニル］プロパン、２，２
−ビス［４−（ｐ−アミノフェノキシ）フェニル］ヘキ
サン、２，２−ビス［４−（ｐ−アミノフェノキシ）フ
ェニル］メタン、２，２−ビス［４−（ｐ−アミノフェ
ノキシ）フェニル］スルホン、２，２−ビス［４−（ｐ
−アミノフェノキシ）フェニル］ケトン、２，２−ビス
［４−（ｐ−アミノフェノキシ）フェニル］ビフェニ
ル、２，２−ビス［４−（ｍ−アミノフェノキシ）フェ
ニル］スルホン、２，２−ビス［４−（ｐ−アミノフェ
ノキシ）フェニル］メチルシクロヘキサン、ビス［４−
（ｐ−アミノベンゾイルオキシ）安息香酸］プロパン、
ビス［４−（ｍ−アミノベンゾイルオキシ）安息香酸］
プロパン、ビス［４−（ｐ−アミノベンゾイルオキシ）
安息香酸］シクロヘキサン、ビス［４−（ｐ−アミノベ
ンゾイルオキシ）安息香酸］メチルシクロヘキサン、ビ
ス［４−（ｐ−アミノベンゾイルオキシ）安息香酸］メ
タン、ビス［４−（ｍ−アミノベンゾイルオキシ）安息
香酸］ブタン、ビス［４−（ｐ−アミノメチルベンゾイ
ルオキシ）安息香酸］プロパン、ビス［４−（ｐ−アミ
ノベンゾイルオキシ）安息香酸］ヘプタン、ビス（ｐ−
アミノベンゾイルオキシ）プロパン、ビス（ｐ−アミノ
ベンゾイルオキシ）メタン、ビス（ｐ−アミノベンゾイ
ルオキシ）ヘプタン、１，４−ビス（３−アミノフェノ
キシ）ベンゼン，ジアミノシロキサン等が挙げられる。

【００１３】本発明の材料を使って導波路の作製方法と
しては、以下に示す手法が有効である。尚本発明中にお
いては便宜上、テトラカルボン酸二無水物系化合物とジ
ヒドラジド系化合物から得れれるポリアミド酸系高分子
をポリヒドラジドアミド酸、それをイミド化したポリイ
ミド系樹脂をポリヒドラジドイミドと呼ぶ。すなわち、
基板として平坦性の優れた石英もしくはシリコン基板を
用意する。まず基板上にポリヒドラジドアミド酸からな
るワニスをスピンコーティングにより堆積し、これを加
熱焼結することによりヒドラジドイミド化し、膜厚１０
mm程度の下部クラッド層を形成する。この上に屈折率が
わずかに(約０.３％）大きいポリヒドラジドイミドを用
い、同様な手法で膜厚８mmのコア層を形成し、ホトリソ
グラフィとＯ₂ を主体とした異方性ドライエッチング
（ＲＩＥ）によりパターニングすることで幅８mmのチャ
ネル導波路を形成する。こうして形成したチャネル導波
路を、再び一層目と同じポリヒドラジドイミドで埋め込
み、膜厚１０mmの上層クラッドを形成して３層構造の埋
め込み型光導波路が完成する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下実施例ではテトラカルボン酸
二無水物とジヒドラジドからポリジヒドラジドアミド酸
を経てポリヒドラジドを得ているが、これによってポリ
ヒドラジドイミドの合成法が限られるものではなく、テ
トラカルボン酸二無水物に代わってテトラカルボン酸，
テトラカルボン酸ジエステル，テトラカルボン酸塩化物
などが使用できることは言うまでもない。

【００１５】実施例１ １，２，３，４−シクロブタンテトラカルボン酸二無水
物（ＢＴＣ）と、アミン成分としてイソフタル酸ジヒド
ラジド（ＩＰＤＨ）と４，４′−ジアミノジフェニルス
ルフィン（４，４′−ＤＤＳ）の混合物をＮＭＰ中で反
応させてポリヒドラジド酸溶液を得た。作製したポリヒ
ドラジド酸を石英基板上にスピンコートし、８０℃で５
分ベークして溶媒のＮＭＰをとばし、２２０℃で６０分
ベークしてヒドラジドイミド化反応を行い空気／ポリヒ
ドラジドイミド／石英からなる３層スラブ型光導波路を
作製した。作製したスラブ型光導波路は可視域で透明で
あり、これらをプリズム結合方式の屈折率計であるメト
リコン社製のmodel−2000にて測定し複屈折を評価し
た。測定結果は表２に示す様に、複屈折は非常に小さい
値となった。

【００１６】実施例２−８ 酸二無水物成分及びアミン成分を表２記載の成分に変え
実施例１と同様にしてスラブ型光導波路を形成して複屈
折と損失を評価した結果を表２に記載した。いずれの場
合でも複屈折は非常に小さいものとなった。

【００１７】比較例１−２ 芳香族酸無水物であるピロメリット酸二無水物（ＰＭＤ
Ａ）及び３，３′，４，４′−ビフェニルテトラカルボ
ン酸二無水物（Ｓ−ＢＰＤＡ）に変え、表２記載のジア
ミン成分を用いて、実施例１と同様にしてスラブ型導波
路を形成し、複屈折と損失を評価した。比較例１では複
屈折が大きくなった。また表２に示す材料のガラス転移
温度を粘弾性測定により評価したところ、いずれも２０
０℃以上であった。

【００１８】

【表２】

【００１９】ＩＰＤＨ：イソフタル酸ジヒドラジド、Ａ
ＤＤＨ：アジピン酸ジヒドラジド、ＣＨＤＤ：１，４−
シクロヘキサンジヒドラジド、ＢＴＣ：１，２，３，４
−ブタンテトラカルボン酸二無水物、ＣＨＤＡ：１，
２，３，４−シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水
物、ＣＢＤＡ：１，２，３，４−シクロブタンテトラカ
ルボン酸二無水物、ＢＨＤＡ：３，３′，４，４′−ビ
シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、ｍ−ＡＰＰ
Ｓ：ビス［４（３−アミノフェノキシ）フェニル］スル
ホン、ＤＤＥ：４，４′−ジアミノジフェニルエーテ
ル、ＣＨＤ：１，４−ジアミノシクロヘキサン

【００２０】

【発明の効果】本発明の構成により、（１）低複屈折
性，（２）耐熱性、に優れたプラスティック光導波路及
び光学素子が作製可能になる。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】テトラカルボン酸二無水物系成分とヒドラ
   ジド系成分から得られるポリイミド系樹脂を構成材料と
   するプラスティック光導波路。
2. 【請求項２】前記テトラカルボン酸二無水物は、脂肪族
   テトラカルボン酸二無水物であることを特徴とする請求
   項１記載のプラスティック光導波路。
3. 【請求項３】前記テトラカルボン酸二無水物は、脂環式
   テトラカルボン酸二無水物であることを特徴とする請求
   項１記載のプラスティック光導波路。
4. 【請求項４】前記テトラカルボン酸二無水物は、有橋炭
   化水素骨格を有することを特徴とする請求項１記載のプ
   ラスティック光導波路。
5. 【請求項５】前記ヒドラジドは、脂肪族ヒドラジドであ
   ることを特徴とする請求項１記載のプラスティック光導
   波路。
6. 【請求項６】前記ヒドラジドは、脂環式ヒドラジドであ
   ることを特徴とする請求項１記載のプラスティック光導
   波路。
7. 【請求項７】テトラカルボン酸二無水物系成分とヒドラ
   ジド系成分から得られるポリイミド系樹脂と、テトラカ
   ルボン酸二無水物とジアミンからなるポリイミドを構成
   材料とするプラスティック光導波路素子。
8. 【請求項８】少なくともコアもしくはクラッドのいずれ
   かが、テトラカルボン酸二無水物系成分とヒドラジド系
   成分から得られるポリイミド系樹脂と、テトラカルボン
   酸二無水物とジアミンからなるポリイミドから構成され
   ていることを特徴とする光導波路素子。